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CN110023815A - 显示装置和使用图像渲染器和光学组合器进行显示的方法 - Google Patents

显示装置和使用图像渲染器和光学组合器进行显示的方法 Download PDF

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CN110023815A
CN110023815A CN201780073332.4A CN201780073332A CN110023815A CN 110023815 A CN110023815 A CN 110023815A CN 201780073332 A CN201780073332 A CN 201780073332A CN 110023815 A CN110023815 A CN 110023815A
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克劳斯·梅拉卡里
奥伊瓦·萨尔斯滕
克塞尼亚·杜吉诺瓦
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Shading Technology Co
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Abstract

公开了一种显示装置。该显示装置包括：用于渲染背景图像的至少一个背景图像渲染器，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；用于渲染聚焦图像的至少一个聚焦图像渲染器，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及至少一个光学组合器，该至少一个光学组合器用于将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景，其中，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。

Description

显示装置和使用图像渲染器和光学组合器进行显示的方法
技术领域
本公开总体上涉及对视觉信息的表示；更具体地，涉及包括图像渲染器和光学组合器的显示装置。此外，本公开还涉及经由前述显示装置进行显示的方法。
背景技术
在当今时代，对诸如虚拟现实和增强现实之类的技术的使用在例如游戏、教育、医疗保健等应用中快速增加。反过来，这增加了人们对这些技术的接触。通常，这些技术向用户呈现模拟环境，通常称为“虚拟现实”。通常，用户使用诸如虚拟现实设备或增强现实设备之类的设备或装置来体验这种模拟环境。通常，这些设备位于眼睛附近，并且例如已知为近眼显示器(NED)或头戴式显示器(HMD)。通常，这种设备具有：一个小显示器或两个小显示器、镜头和其他光学元件。显示器和光学器件通常被嵌入头盔、眼镜或护目镜中，并且用户将设备佩戴在他们的头上以便向用户呈现模拟环境。此外，这些设备使用诸如立体视觉的现代技术为用户提供沉浸在模拟环境中的感觉。
然而，传统设备具有某些缺点，例如，用户的观看舒适度。通常，模拟环境的视觉场景被渲染在固定的光学距离处。这种渲染迫使用户的大脑不自然地适应冲突的焦点提示，例如与距用户眼睛的显示器的物理距离相关联的焦点提示以及与模拟环境内的视觉场景的固定光学距离相关联的焦点提示。此外，观看以固定光学距离渲染的这种视觉场景可能会为用户的眼睛带来视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。另外，这种渲染减少了用户在模拟环境中的沉浸感，并且还可能导致用户的视觉疲劳。对于一些用户来说，这种视觉疲劳甚至在停止使用该设备后造成严重的副作用。
因此，鉴于前述讨论，需要克服和与传统虚拟现实设备和增强现实设备的模拟环境中对视觉场景进行渲染相关联的上述缺点。
发明内容
本公开旨在提供一种显示装置。
本公开还旨在提供一种经由显示装置进行显示的方法。
本公开旨在提供解决在模拟环境内以固定光学距离渲染视觉场景的现有问题的方案。本公开的目的在于提供一种解决方案，其至少部分地克服现有技术中遇到的问题，并提供一种稳健并且易于实现的显示装置，该显示装置至少部分地克服了与在固定光学距离下渲染视觉场景相关联的上述缺点。
一方面，本公开的实施例提供了一种显示装置，包括：
-至少一个背景图像渲染器，该至少一个背景图像渲染器用于渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
-至少一个聚焦图像渲染器，该至少一个聚焦图像渲染器用于渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
-至少一个光学组合器，该至少一个光学组合器用于将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景；
其中，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。
在另一方面，本公开的实施例提供了一种经由显示装置进行显示的方法，该显示装置包括至少一个背景图像渲染器、至少一个聚焦图像渲染器和至少一个光学组合器，该方法包括：
(i)在至少一个背景图像渲染器处渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
(ii)在至少一个聚焦图像渲染器处渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
(iii)使用至少一个光学组合器将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景，
其中，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。
本公开的实施例基本上消除或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且使得能够准确且有效地渲染视觉场景。
根据附图和结合所附权利要求解释的说明性实施例的详细描述，本公开的其他方面、优点、特征和目的将变得显而易见。
应当理解的是，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，本公开的特征易于以各种组合进行组合。
附图说明
当结合附图阅读时，可以更好地理解以上概述以及说明性实施例的以下详细描述。出于说明本公开的目的，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文公开的具体方法和手段。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。在任何可能的地方，类似的元素都用相同的附图标记表示。
现在仅通过示例并参考以下附图来描述本公开的实施例，附图中：
图1至图2示出了根据本公开的不同实施例的显示装置的架构的框图；
图3A至图3B是根据本公开的实施例的显示装置相对于用户的眼睛的示例性操作的示意图；
图4示出了根据本公开的实施例的经由显示装置渲染和投影的背景图像和聚焦图像的示例性表示；
图5A至图5K示出了根据本公开的各种实施例的显示装置的示例性实施方式；以及
图6示出了根据本公开的实施例的经由显示装置进行显示的方法的步骤。
在附图中，带下划线的附图标记用于表示带下划线的附图标记所在的项或带下划线附图标记毗邻的项。未加下划线的附图标记涉及由将未加下划线的附图标记链接到项的线标识的项目。当附图标记没有下划线并伴有相关箭头时，未加下划线的附图标记用于标识箭头指向的一般项。
具体实施方式
以下详细描述示出了本公开实施例以及可以实现这些实施例的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些模式，但是本领域技术人员将认识到用于执行或实践本公开的其他实施例也是可能的。
一方面，本公开的实施例提供了一种显示装置，包括：
-至少一个背景图像渲染器，该至少一个背景图像渲染器用于渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
-至少一个聚焦图像渲染器，该至少一个聚焦图像渲染器用于渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
-至少一个光学组合器，该至少一个光学组合器用于将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景；
其中，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。
在另一方面，本公开的实施例提供了一种经由显示装置进行显示的方法，该显示装置包括至少一个背景图像渲染器、至少一个聚焦图像渲染器和至少一个光学组合器，该方法包括：
(i)在至少一个背景图像渲染器处渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
(ii)在至少一个聚焦图像渲染器处渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
(iii)使用至少一个光学组合器将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景，
其中，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。
上述显示装置和经由显示装置进行显示的方法使得能够以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。这种视觉场景的创建使得能够增加显示装置的用户在模拟环境中的沉浸感，从而为用户提供经改善的用户体验。此外，这种视觉场景的创建使得能够向用户提供准确的焦点提示。这种焦点提示进一步增加了用户沉浸感，并且基本上减少了与固定光学距离的渲染相关联的问题，例如与视觉辐辏调节冲突相关联的问题。应当理解的，这种视觉辐辏调节冲突的减少使得能够减少用户所经历的视觉疲劳和不适。此外，这种视觉疲劳和不适的减少使得能够改善用户体验并因此延长显示装置的使用。
在整个本公开中，术语“显示装置”指的是被配置为在用户使用显示装置时(例如，通过在他/她的头上佩戴显示装置)向用户呈现视觉场景的专用设备。在这种情况下，显示装置可操作以用于向用户呈现视觉场景的设备(例如，诸如虚拟现实耳机、一副虚拟现实眼镜、增强显示耳机、一副增强显示眼镜之类)。
应当理解的是，通过立体视觉图像描绘(即，表示)视觉场景，该立体视觉图像是在经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影的光学组合时创建的。在一实施例中，视觉场景与全虚拟模拟环境有关。在另一实施例中，视觉场景与覆盖在真实世界环境中的至少一个虚拟对象有关。
应当理解的是，本文所使用的术语“背景图像”指的是要经由显示装置渲染和投影的视觉场景的宽图像。此外，术语“聚焦图像”指的是用于描绘要经由显示装置渲染和投影的视觉场景的部分(一部分)的另一图像。因此，应当理解的是，聚焦图像在尺寸上小于背景图像。背景图像和聚焦图像在其光学组合时共同构成视觉场景。此外，应当理解的是，经渲染的聚焦图像通常被投影在用户眼睛的中央凹上和中央凹的周围，而经渲染的背景图像被投影在用户眼睛的视网膜上，其中，中央凹只是视网膜的一小部分。此外，经渲染的背景图像和聚焦图像共同构成要呈现给显示装置的用户的视觉场景的立体视觉图像。
在一些实施方式中，经渲染的背景图像的投影的角宽度例如可以是40度、50度、60度、70度、80度、90度、100度、110度、120度、130度、140度、150度、160度、170度、180度、190度、200度、210度或220度，而经渲染的聚焦图像的投影的角宽度例如可以是5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度或60度。在其他实施方式中，经渲染的背景图像的投影的角宽度大于220度。
应当理解的是，前述提及的背景图像和聚焦图像的投影的角宽度分别适应与用户眼睛的运动相关联的扫视和微跳视。
在整个本公开中，术语“角宽度”指的是当用户佩戴显示装置时从用户的眼睛看到的给定投影的角宽度。应当理解的是，可选地，经渲染的背景图像的投影的角宽度大于经投影的聚焦图像的投影的角宽度，因为经渲染的聚焦图像通常投影在用户眼睛的中央凹上和中央凹周围，而经渲染的背景图像被投影在用户眼睛的视网膜上。
在整个本公开中，文中所使用的术语“背景图像渲染器”指的是被配置为促使渲染背景图像的设备。类似地，文中所使用的术语“聚焦图像渲染器”指的是被配置为促使渲染聚焦图像的设备。
可选地，至少一个背景图像渲染器和/或至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个投影仪和与该至少一个投影仪相关联的投影屏幕来实现。可选地，可以在用于实现至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器的各自的投影仪之间共享单个投影屏幕。可选地，至少一个投影仪选自：基于液晶显示器(LCD)的投影仪、基于发光二极管(LED)的投影仪、基于有机LED(OLED)的投影仪、基于硅的液晶(LCoS)的投影仪、基于数字光处理(DLP)的投影仪和激光投影仪。
可选地，至少一个背景图像渲染器和/或至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个显示器来实现。可选地，在这方面，至少一个背景图像渲染器通过至少一个背景显示器来实现，该背景显示器被配置为从至少一个背景图像渲染器发射经渲染的背景图像的投影，以及至少一个聚焦图像渲染器至少通过至少一个聚焦显示器来实现，该聚焦显示器被配置为从至少一个聚焦图像渲染器发射经渲染的聚焦图像的投影。在这种情况下，文中所使用的术语“背景显示器”指的是被配置为促使在其上呈现背景图像的显示器(或屏幕)。类似地，文中所使用的术语“聚焦显示器”指的是被配置为促使在其上呈现聚焦图像的显示器(或屏幕)。可选地，至少一个背景显示器和/或至少一个聚焦显示器选自：液晶显示器(LCD)、基于发光二极管(LED)的显示器、基于有机LED(OLED)的显示器、基于微OLED的显示器和基于硅的液晶(LCoS)显示器。
此外，可选地，与至少一个聚焦显示器的尺寸相比，至少一个背景显示器的尺寸更大。具体地，至少一个聚焦显示器的尺寸可以比至少一个背景显示器小得多。因此，应当理解的是，与至少一个背景显示器相比，可以容易地移动至少一个聚焦显示器。
可选地，至少一个背景图像渲染器是静态定位的，而至少一个聚焦图像渲染器是可移动的，以用于所期望的经渲染的背景图像和聚焦图像的投影。在这种情况下，可以移动至少一个聚焦图像渲染器以调整经渲染的聚焦图像的投影的位置。或者，可选地，至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器交换位置。在这种情况下，至少一个背景图像渲染器是可移动的，而至少一个聚焦图像渲染器是静态定位的。或者，可选地，至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器都是可移动的。
在整个本公开中，文中所使用的术语“光学组合器”指的是用于将经渲染的背景图像的投影和经渲染的聚焦图像的投影进行光学组合以构成输入图像的投影的设备(例如，光学元件)。有利地，至少一个光学组合器可以被配置为模拟人类视觉系统的活动的中央凹。
视觉场景以在其中提供至少两个不同的光学距离的方式而被创建。在整个本公开中，文中所使用的术语“光学距离”指的是用户所感知的视觉场景的立体视觉图像内所示的区域与用户之间的虚拟距离。应当理解的是，在给定的立体视觉图像(即，三维图像)中，描绘不同对象的不同区域可以具有不同的光学深度。在这种情况下，给定对象的光学距离指的是用户所感知的给定对象和用户之间的虚拟距离(或立体视觉深度)。在示例中，视觉场景的立体视觉图像可以描绘站在建筑物前面的人，描绘人的(图像的)区域的光学距离小于描绘建筑物的(图像的)区域的光学距离。在这种示例中，用户可以将他/她自己与人之间的虚拟距离V1感知为小于他/她自己与建筑物之间的虚拟距离V2。
应当理解的是，其中提供有至少两个不同的光学距离的视觉场景使得能够为显示装置的用户增强视觉场景内的沉浸感。
可选地，至少一个光学组合器通过将至少两个不同的光学距离处的经渲染的背景图像的投影和经渲染的聚焦图像的投影进行组合来创建视觉场景。可选地，在这方面，至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器通过以下方式进行设置：在至少一个背景图像渲染器中渲染的经渲染的背景图像的投影和在至少一个聚焦图像渲染器中渲染的经渲染的聚焦图像的投影被组合以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离。作为示例，至少一个背景图像渲染器和/或至少一个聚焦图像渲染器分别通过背景显示器和聚焦显示器来实现。在这种情况下，背景显示器和聚焦显示器可以通过以下方式被设置在距用户眼睛不同的距离处：可以将从背景显示器传出的经渲染的背景图像的投影和从聚焦显示器发出的经渲染的聚焦图像的投影(通过至少一个光学组合器)进行光学组合以创建其中具有至少两个不同的光学距离的视觉场景。
可选地，至少一个光学组合器被配置为将经渲染的背景图像的投影和/或经渲染的聚焦图像的投影的不同区域进行组合以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离。在示例中，聚焦图像的第一区域和聚焦图像的第二区域可以与背景图像光学地组合，以在视觉场景中提供三个不同的光学距离。
可选地，显示装置还包括：用于检测凝视方向的装置、与至少一个光学组合器通信地耦接的处理器以及用于检测凝视方向的装置，其中处理器被配置为：
(a)接收输入图像，并使用检测到的凝视方向来确定输入图像的视觉精度区域；
(b)处理输入图像以生成背景图像和聚焦图像，背景图像具有第一分辨率，聚焦图像具有第二分辨率，其中：
(i)聚焦图像基本上对应于输入图像的视觉精度区域；以及
(ii)第二分辨率高于第一分辨率；以及
(c)基本上同时在至少一个背景图像渲染器中渲染背景图像以及在至少一个聚焦图像渲染器中渲染聚焦图像，同时控制至少一个光学组合器以通过以下方式将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合：经渲染的聚焦图像的投影与经渲染的背景图像的、对应于输入图像的视觉精度区域的区域的投影基本上重叠。
在整个本公开中，文中所使用的术语“用于检测凝视方向的装置”指的是用于检测用户的凝视的方向(即，凝视方向)的专用设备。显示装置使用用于检测凝视方向的装置，以经由侵入性技术或非侵入性技术来确定上述凝视方向。有利地，准确检测凝视方向有助于显示装置在其上紧密地实现凝视突发事件。用于检测凝视方向的装置的示例包括：具有运动传感器的隐形眼镜；监视眼睛瞳孔位置的相机等。这种用于检测凝视方向的装置在本领域是公知的。
作为示例，可以采用用于检测凝视方向的装置来检测用户眼睛的凝视方向，以将经渲染的聚焦图像投影在用户眼睛的中央凹上和中央凹的周围，并且将经渲染的背景图像投影在用户眼睛的视网膜上，其中，中央凹只是视网膜的一小部分。因此，即使在凝视方向改变时(即，由于用户眼睛的移动)，经渲染的聚焦图像也可以被投影在中央凹上和中央凹的周围，并且经渲染的背景图像可以被投影在视网膜上，以用于在显示装置中实现主动成凹。
应当理解的是，用于检测凝视方向的装置也可以被称为“眼睛追踪系统”、“凝视追踪系统”、“用于追踪凝视方向的装置”或“凝视追踪单元”。
在一实施例中，处理器通过硬件、软件、固件或这些的组合来实现适于控制显示装置的操作。处理器被配置为控制显示装置的操作，以便将视觉场景呈现给用户。另外，可选地，处理器被配置为根据由于用户眼睛的移动而发生的用户凝视的方向的改变来调整要呈现给用户的视觉场景。
根据一实施例，术语“输入图像”指的是要经由显示装置显示的全虚拟模拟环境(例如，虚拟现实环境)的视觉场景的表示。根据另一实施例，术语“输入图像”指的是描绘覆盖在真实世界环境中的至少一个虚拟对象的视觉场景的表示。至少一个虚拟对象的示例包括但不限于虚拟导航工具、虚拟小工具、虚拟消息、虚拟实体以及虚拟媒体。在这种情况下，至少一个虚拟对象可以覆盖在(真实世界环境的)真实世界图像上以构成所得的模拟环境(例如，增强现实环境)的视觉场景。值得注意的是，术语“真实世界图像”指的是描绘用户所处的他/她的实际环境的图像。可选地，显示装置包括用于捕获真实世界图像的成像系统。更可选地，显示装置还包括至少一个光学设备(例如，诸如反射镜、透镜、棱镜之类)，以实现上述重叠操作并将得到的模拟环境投影在用户的眼睛上。
根据一实施例，在前述步骤(a)中，显示装置被配置为从可通信地耦接至显示装置的存储单元接收输入图像。存储单元可以被配置为以适合的格式存储输入图像，该合适的格式包括但不限于：运动图像专家组(MPEG)、联合图像专家组(JPEG)、标记图像文件格式(TIFF)、便携式网络图形(PNG)、图形交换格式(GIF)、位图文件格式(BMP)。
根据另一实施例，在前述步骤(a)中，显示装置被配置为从显示装置的成像系统接收输入图像。在这种情况下，成像系统的图像传感器被配置为捕获输入图像。可选地，处理器被配置为从成像系统接收与输入图像有关的附加深度信息。成像系统的示例包括但不限于：RGB-D相机、光检测和测距(LiDAR)相机、飞行时间(ToF)相机、声音导航和测距(SONAR)相机、激光测距仪、立体相机、红外相机以及超声成像设备。作为示例，输入图像可以描绘用户所在的咖啡店。
根据又一实施例，在步骤(a)中，输入图像是计算机生成的图像。在这种情况下，输入图像可以由显示装置的处理器生成。
此外，应当理解的是，本文所使用的术语“视觉精度区域”指的是输入图像的区域，该区域是当显示装置的用户观看输入图像时检测到的用户的凝视方向所指向(即，聚焦)的区域。因此，视觉精度区域是输入图像内的固定区域。换言之，视觉精度区域是输入图像内的关注的区域(即，固定点)，并且该视觉精度区域将被投影在用户眼睛的中央凹上。因此，当输入图像被人类视觉系统观看时，与输入图像的其他区域相比，视觉精度区域指的是被解析为具有更多细节的区域。
此外，可选地，因为经渲染的聚焦图像通常通过显示装置投影在用户眼睛的中央凹上和中央凹周围，而经渲染的背景图像通过显示装置投影在用户眼睛的视网膜上，因此(聚焦图像的)第二分辨率高于(背景图像的)第一分辨率。这种聚焦图像和背景图像的分辨率使得能够在显示装置的用户观看输入图像时模拟人类视觉系统的视觉特性。
更可选地，第一分辨率和第二分辨率应根据角分辨率来理解。换言之，指示第二分辨率的每度的像素高于指示第一分辨率的每度的像素。作为示例，用户眼睛的中央凹对应于2度视野并且接收角横截面宽度等于114个像素(表示每度57个像素)的聚焦图像的投影。因此，对应于聚焦图像的角像素大小等于2/114或0.017。此外，在这种示例中，眼睛的视网膜对应于180度视野，并且接收角横截面宽度等于2700个像素(表示每度15个像素)的背景图像的投影。因此，对应于背景图像的角像素大小等于180/2700或0.067。如所计算的，对应于背景图像的角像素大小明显大于对应于聚焦图像的角度像素大小。然而，由于聚焦图像仅对应于背景图像的一部分(其中该部分对应于输入图像的视觉精度区域)，因此与聚焦图像相比，由针对背景图像的总像素数表示的感知角分辨率会更大。
应当理解的是，在上述步骤(c)中，经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影组合，以在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离。还应当理解的是，背景图像和聚焦图像基本上同时被渲染，以避免在背景图像和聚焦图像的投影的组合期间的时间延迟。
可选地，掩蔽经渲染的背景图像的基本与输入图像的视觉精确度区域对应的区域。可选地，在这方面，处理器被配置为通过以下方式将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合：使经渲染的聚焦图像的投影基本上与经渲染的背景图像的掩蔽区域的投影重叠。应当理解的是，当聚焦图像的投影与经渲染的背景图像的投影组合时，处理器可选地掩蔽背景图像中基本与输入图像的视觉精度区域对应的区域，以避免输入图像的视觉精度区域的光学畸变。注意的是，可以实现这种掩蔽，因为与具有低分辨率的经渲染的背景图像相比，具有高分辨率的经渲染的聚焦图像包括与输入图像的视觉精度区域有关的更多信息。作为示例，背景图像的与输入图像的视觉精度区域对应的像素可以被调暗(即，变暗)以用于掩蔽。
此外，可选地，处理器被配置为通过以下方式对背景图像中与输入图像的视觉精度区域对应的区域进行掩蔽：减小(例如，最小化)输入图像的视觉精度区域和输入图像的剩余区域之间的过渡区域接缝(或边缘)。在这种情况下，掩蔽可以被执行为逐渐渐变，以减少(例如，最小化)叠加的背景图像和聚焦图像之间的过渡区域接缝，使得所显示的输入图像看起来是连续的。例如，处理器可以显著地调暗背景图像的与输入图像的视觉精度区域对应的像素，并且随着距离输入图像的视觉精度区域的距离的增加逐渐减少像素的调光量。此外，可以使用过渡区域的背景图像和聚焦图像之间的反向值的线性透明掩模混合、使用包括自然难以被用户的眼睛检测的形状的隐藏(或伪装)图案等来执行掩蔽。
在示例性实施方式中，输入图像可以表示全虚拟模拟环境的视觉场景，该视觉场景描绘通过窗口看到的公园。此外，处理输入图像以生成背景图像和聚焦图像(如上所述)。在第一种情况下，当用于检测凝视方向的装置检测到用户的凝视聚焦在窗口时，输入图像的视觉精度区域对应于窗口的区域。在这种情况下，聚焦图像描绘窗口，而背景图像描绘窗口和公园。因此，在这种情况下，处理器被配置为当将视觉场景呈现给用户时，以聚焦图像的光学距离小于背景图像的光学距离的方式来控制至少一个光学组合器。在第二种情况下，当用于检测凝视方向的装置检测到用户的凝视聚焦在公园时，输入图像的视觉精度区域对应于公园的区域。在这种情况下，聚焦图像描绘了公园，而背景图像描绘了窗口和公园。因此，在这种情况下，处理器被配置为当将视觉场景呈现给用户时，以聚焦图像的光学距离大于背景图像的光学距离的方式来控制至少一个光学组合器。应当理解的是，在前述示例中，将经渲染的聚焦图像的投影与经渲染的背景图像的投影组合使得能够在显示装置上创建的视觉场景内提供不同的光学距离。此外，这种视觉场景使用户能够感知立体视觉深度，从而改善用户在视觉场景中的沉浸感。
在另一示例性实施方式中，输入图像可以表示模拟的增强现实环境的视觉场景，该视觉场景描绘虚拟实体，例如，男孩坐在真实世界的草地上，他的腿是伸展的。在这种情况下，可以检测到用户的凝视聚焦在男孩的腿上。因此，聚焦图像基本上对应于男孩的腿，而背景图像基本上对应于整个场景的低分辨率表示。在这种情况下，当将视觉场景呈现给用户时，处理器被配置为通过以下方式来控制至少一个光学组合器：聚焦图像的描绘男孩的脚趾的第一区域的光学距离X1小于聚焦图像的描绘男孩的小腿、膝盖和大腿的第二区域的光学距离X2，并且光学距离X2小于背景图像的光学距离X3。因此，应当理解的是，显示装置使得能够为立体视觉场景内的单个对象提供不同的光学深度。
可选地，显示装置还包括至少一个第一可控镜头，该至少一个第一可控镜头用于调整经渲染的背景图像的光学距离。可选地，在这方面，至少一个第一可控镜头位于经渲染的背景图像的投影的光路上。在整个本公开中，文中所使用的术语“可控镜头”指的是可以调节焦距的镜头。此外，文中所使用的术语“焦距”指的是给定可控镜头(或给定可控镜头的主轴)与穿过给定可控镜头的平行光线的会聚点之间的距离。应当理解的是，给定可控镜头的较大焦距与在穿过较小视野中的给定图像的给定投影中较小视野的提供相关联。然而，较大焦距也将与给定图像的较大放大率相关联。在这种情况下，调整经渲染的背景图像的光学距离以聚焦和/或放大视觉场景内的不同区域。例如，在包括建筑物的视觉场景中，可以调整至少一个第一可控镜头的焦距以增加(或减小)用户和建筑物之间的光学距离。
可选地，显示装置包括被耦接到至少一个第一可控镜头的至少一个第一致动器，其中，处理器被配置为通过将第一控制信号施加到至少一个第一致动器来调整经渲染的背景图像的光学距离。在这种情况下，至少一个第一致动器可以是机械致动器、电致动器、液压致动器等。因此，第一控制信号可以是机械力、电流、液压等。作为示例，至少一个第一可控镜头可以被耦接到至少一个第一机械致动器。在这种情况下，处理器可以通过施加第一控制信号来机械地致动至少一个第一机械致动器以调整至少一个第一可控镜头的焦距。
根据一实施例，至少一个第一可控镜头的焦距将以与至少一个背景图像渲染器的刷新率基本相似的速率进行调整。在整个本公开中，文中所使用的术语“刷新率”指的是给定图像渲染器在一秒内更新给定图像的次数。可选地，至少一个背景图像渲染器的刷新率的范围介于90Hz至1800Hz之间。
在一示例中，可以以210Hz的速率来调节至少一个第一可控镜头的焦距。在另一示例中，可以通过以70Hz的速率刷新至少一个背景图像渲染器，使用至少一个背景图像渲染器在3个不同的光学距离(对应于增加(或减少的)立体视觉深度)来渲染背景图像。因此，在这种情况下，可控镜头的焦距可以以70Hz的速率进行调整，以对应于至少一个背景图像渲染器的刷新率。
在一实施例中，显示装置还包括至少一个第二可控镜头，该至少一个第二可控镜头用于调整经渲染的聚焦图像的光学距离。可选地，在这方面，至少一个第二可控镜头位于经渲染的聚焦图像的投影的光路上。
可选地，显示装置包括被耦接到至少一个第二可控镜头的至少一个第二致动器，其中，处理器被配置为通过将第二控制信号施加到至少一个第二致动器来调整经渲染的聚焦图像的光学距离。在这种情况下，至少一个第二致动器可以是机械致动器、电致动器、液压致动器等。因此，第二控制信号可以是机械力、电流、液压等。
在一示例中，显示装置的用户将他们的凝视方向从远视图偏移到近视野以聚焦在经渲染的聚焦图像内的对象上。在这种情况下，调节至少一个第二可控镜头的焦距以使用户能够聚焦在对象上。
根据一个实施例，至少一个第二可控镜头的焦距将以与至少一个聚焦图像渲染器的刷新率基本相似的速率进行调整。更可选地，至少一个聚焦图像渲染器的刷新率的范围介于90Hz至1800Hz之间。
应当理解的是，上述用于调整经渲染的背景图像的光学距离的至少一个第一可控镜头和/或用于调整经渲染的聚焦图像的光学距离的至少一个第二可控镜头的这种调整使得能够在用户观看视觉场景时向他/她提供深度提示。此外，这样的深度提示使得能够更好地感知视觉场景内的立体视觉深度，从而增强用户在视觉场景中的沉浸感。另外，这种深度提示使得能够基本上减少通常与传统显示装置相关联的视觉辐辏调节冲突的发生。此外，相对于背景图像渲染器和聚焦图像渲染器的刷新率，调整至少一个第一可控镜头和/或至少一个第二可控镜头使得能够无缝并且有效地调整视觉场景内的光学距离(即，立体视觉深度)。
在一个实施例中，显示装置还包括彼此临近设置的两个棱镜以及用于调整两个棱镜之间的距离的至少一个致动器，其中，两个棱镜之间的距离将被调整以在至少两个不同的光学距离之间切换。在这种情况下，两个棱镜被设置在经渲染的背景图像的投影的光路上和/或经渲染的聚焦图像的投影的光路上。应当理解的是，由于棱镜通常被配置为改变穿过该棱镜中的光的光路，因此两个棱镜能够通过改变穿过该棱镜的投影的光路以在至少两个不同的光学距离之间切换。换言之，由于调节两个棱镜之间的距离，穿过该棱镜的投影行进通过不同的距离，从而在视觉场景中提供至少两个光学距离。此外，调整两个棱镜之间的距离使得能够提供更多的光学距离，例如，当需要两个以上的光学距离时。
可选地，处理器被配置为控制至少一个致动器以调整两个棱镜之间的距离。
在一个示例中，两个棱镜可以设置在位于背景图像渲染器和用户眼睛之间的经渲染的背景图像的投影的光路上。在这种示例中，至少两个不同的光学距离可以对应于背景图像的近视野和远视野。因此，可以调整两个棱镜之间的距离以改变经渲染的背景图像的投影的光路，以在背景图像的近视野和远视野之间切换。
在另一示例中，两个棱镜可以设置在位于上聚焦图像渲染器和用户眼睛之间的经渲染的聚焦图像的投影的光路上。在这种示例中，至少两个不同的光学距离可以对应于聚焦图像的第一区域和第二区域，其中，用户的凝视可以被快速地聚焦在聚焦图像的第一区域。因此，可以调整两个棱镜之间的距离，以基于用户的凝视来选择性地聚焦(或散焦)聚焦图像的第一区域和第二区域。在第一种情况下，两个棱镜之间的第一距离D1(例如，5毫米)可以允许第一区域的光学距离小于第二区域的光学距离。在第二种情况下，两个棱镜之间的第二距离D2(例如，10毫米)可以允许第一区域的光学距离大于第二区域的光学距离。在第一情况和第二种情况下，两个棱镜之间的距离可以以第一区域良好聚焦而第二区域相对离焦的方式进行调整。
根据一实施例，至少一个背景图像渲染器和/或至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个显示器来实现，该至少一个显示器至少包括第一像素组和第二像素组，其中，由第一像素组提供的第一光学距离不同于由第二像素组提供的第二光学距离。可选地，在这方面，至少一个背景显示器和/或至少一个聚焦显示器至少包括第一像素组和第二像素组。应当理解的是，用户的眼睛能够感知给定图像中的不同的光学深度。因此，给定显示器的第一像素组和第二像素组使得能够提供背景图像和/或聚焦图像的不同的区域以在视觉场景内具有不同的光学距离。在示例中，与第二像素组相比，第一像素组包括彼此更靠近聚集的像素。在这种情况下，可以采用第一像素组来渲染聚焦图像的第一区域，并且可以采用第二像素组来渲染聚焦图像的第二区域。这种与第一像素组和第二像素组相关联的像素密度的差异使得能够在视觉场景内产生不同的光学距离，例如第一光学距离和第二光学距离。
在另一示例中，聚焦图像渲染器和背景图像渲染器可以通过单个显示器来实现。在这种情况下，可以采用第一像素组来渲染聚焦图像，并且可以采用第二像素组来渲染背景图像。换言之，第二像素组可以对应于视觉场景中的离焦模糊(defocus blur)。应当理解的是，这种离焦模糊能够增强用户对立体视觉深度的感知，这进一步增强了视觉场景中的沉浸感。此外，离焦模糊有利地能够减少视觉辐辏调节冲突的发生。
在一个实施例中，至少一个显示器包括第三组像素，其中，由第三组像素提供的第三光学距离不同于第一光学距离和第二光学距离。例如，第三光学距离可以对应于位于第一光学距离和第二光学距离之间的中间光学距离。
在一个实施例中，至少一个聚焦图像渲染器通过包括像素阵列的至少一个显示器来实现，并且其中，显示装置还包括位于至少一个显示器的像素阵列前面的至少一个微透镜阵列，该至少一个微透镜阵列被设置成通过以下方式来放大由像素阵列的相应像素所渲染的聚焦图像的至少一个区域：为聚焦图像的至少一个区域提供所需的光学距离。在一示例中，至少一个显示器包括微显示器阵列。在这种情况下，微显示器可操作以将对象的不同视角(或视图)渲染成聚焦图像的不同区域。例如，对象的不同视角可以对应于与视觉场景相关联的光场。此外，每个区域包括像素阵列。在一个示例中，对应于聚焦图像的不同光学距离的不同区域被微透镜阵列放大。此后，通过光学组合器组合经放大的区域的投影。此外，这种经放大的区域的组合使得能够创建在其中具有至少两个不同光学距离的视觉场景。
根据一个实施例，至少一个背景图像渲染器通过包括像素阵列的至少一个显示器来实现，并且其中，显示装置还包括位于至少一个显示器的光路上的至少一个微透镜阵列，该至少一个微透镜阵列被设置成通过以下方式来放大由像素阵列的相应像素所渲染的背景图像的至少一个区域：为背景图像的至少一个区域提供所需的光学距离。在一示例中，至少一个显示器包括微显示器阵列。例如，视觉场景可以描绘窗口在对象表面上的镜面反射。在这种情况下，与窗口相关联的光场在与第一光学距离处的至少一个背景图像渲染器相关联的至少一个显示器上被渲染。此外，与对象相关联的光场在与第二光学距离处的至少一个聚焦图像渲染器相关联的至少一个显示器上被渲染。此外，与对象表面上的镜面反射相关联的光场在与第三光学距离处的至少一个聚焦图像渲染器相关联的至少一个显示器上被渲染。在这种情况下，与窗口、对象、镜面反射相关联的图像的投影由光学组合器组合。在不同光学距离处对与窗口、对象和镜面反射相关联的光场的这种渲染使得用户能够聚焦在任何期望的光学距离上，例如与窗口、物体或与对象表面上的镜面反射相关联的期望的光学距离。
图像处理：
可选地，处理器被配置为实现用于至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器中的至少一者的图像处理功能。在这种情况下，图像处理功能在分别经由至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器渲染背景图像和聚焦图像之前被实现。有利地，这种图像处理功能的实现使得能够优化经渲染的背景图像和聚焦图像的质量。此外，通过考虑至少一个背景图像渲染器、至少一个聚焦图像渲染器以及要经由显示装置显示的输入图像中的至少一项的性能来选择图像处理功能。
可选地，用于至少一个背景图像渲染器的图像处理功能包括用于优化感知的背景图像质量的至少一个功能，该至少一个功能选自包括低通滤波、色彩处理、伽马校正和边缘处理的组中，以最小化经渲染的背景图像和聚焦图像的组合投影的边界上的感知失真。
此外，可选地，用于至少一个聚焦图像渲染器的图像处理功能包括用于优化感知的聚焦图像质量的至少一个功能，该至少一个功能选自包括图像剪辑、图像锐化、色彩处理、伽马校正和边缘处理的组中，以减小(例如最小化)经渲染的背景图像和聚焦图像的组合投影的边界上的感知失真。
光学组合器：
可选地，至少一个光学组合器包括至少一个第一光学元件，该第一光学元件被设置用于以下任何一项：使经渲染的背景图像的投影基本上通过，同时基本上反射经渲染的聚焦图像的投影；或者使经渲染的聚焦图像的投影基本上通过，同时基本上反射经渲染的背景图像的投影。至少一个第一光学元件被设置成对经渲染的背景图像和聚焦图像的投影的光路进行组合。有利地，这种对至少一个第一光学元件的设置有助于将经渲染的聚焦图像投影在眼睛的中央凹上和中央凹的周围，以及有助于将经渲染的背景图像投影在眼睛的视网膜上，其中，中央凹只是视网膜的一小部分。
可选地，至少一个光学组合器中的至少一个第一光学元件通过以下各项中的至少一项来实现：半透明反射镜、半透明膜、棱镜、偏振器、光波导。作为示例，至少一个光学组合器的至少一个第一光学元件可以实现为光波导。在这种情况下，光波导可以被设置成使得经渲染的聚焦图像的投影能够通过对该投影的反射而朝向用户的眼睛的视野，并且该光波导可以是透明的，以使得背景图像通过该光波导是可见的。因此，光波导可以是半透明的。可选地，光波导可以被设置成使得经渲染的背景图像的投影能够通过对该投影的反射朝向用户的眼睛的视野，并且该光波导可以是透明的，以使得聚焦图像通过该光波导是可见的。可选地，光波导还包括光波导内的光学元件(例如，微棱镜、反射镜、衍射光学器件等)。可选地，光波导是可倾斜和/或可移动的。可选地，光波导是电光可转动的，以适应视觉场景中的至少两个不同的光学距离。
可选地，至少一个光学组合器包括至少一个第三致动器，该至少一个第三致动器用于相对于至少一个光学组合器的至少一个第一光学元件来移动至少一个聚焦图像渲染器，其中，显示装置的处理器被配置为控制至少一个第三致动器以调整经渲染的聚焦图像在至少一个第一光学元件上的投影的位置。在这种情况下，当眼睛的凝视方向从一个方向偏移到另一个方向时，至少一个第三致动器用于移动至少一个聚焦图像渲染器。在眼睛的凝视方向发生这种偏移时，至少一个光学组合器和至少一个聚焦图像渲染器的设置可以不将经渲染的聚焦图像投影在眼睛的中央凹上和中央凹的周围。因此，显示装置的处理器被配置为控制至少一个第三致动器以相对于至少一个第一光学元件来移动至少一个聚焦图像渲染器，以调整经渲染的聚焦图像在至少一个第一光学元件上的投影的位置，以使得即使在凝视方向发生这种偏移时，经渲染的聚焦图像也被投影在眼睛的中央凹上和中央凹的周围。可选地，显示装置的处理器被配置为通过生成致动信号(例如，诸如电流、液压之类)来控制至少一个第三致动器。
在示例中，至少一个第三致动器可以使至少一个聚焦图像渲染器移动得更靠近或远离至少一个第一光学元件。在另一示例中，至少一个第三致动器可以相对于至少一个第一光学元件横向移动至少一个聚焦图像渲染器。在又一示例中，至少一个第三致动器可以相对于至少一个第一光学元件倾斜和/或旋转至少一个聚焦图像渲染器。
此外，可选地，至少一个光学组合器包括至少一个第二光学元件和至少一个第四致动器，该至少一个第二光学元件位于至少一个第一光学元件和至少一个聚焦图像渲染器之间的光路中，该至少一个第四致动器用于相对于至少一个第一光学元件来移动至少一个第二光学元件。可选地，至少一个第二光学元件选自包括透镜、棱镜、反射镜和分束器的组中。此外，在这种情况下，显示装置的处理器被配置为控制至少一个第四致动器以调整经渲染的聚焦图像在至少一个第一光学元件上的投影的位置。因此，第二光学元件的致动改变了经渲染的聚焦图像的投影的光路，从而即使在凝视方向发生偏移时也有助于将经渲染的聚焦图像投影在眼睛的中央凹上和中央凹的周围。可选地，显示装置的处理器被配置为通过生成致动信号(例如，诸如电流、液压之类)来控制至少一个第四致动器。
例如，至少一个第二光学元件可以通过两个棱镜来实现，这两个棱镜位于半透明反射镜(即，至少一个第二光学元件)和至少一个聚焦图像渲染器之间的光路上。在这种示例中，经渲染的聚焦图像的投影的光路可以在穿过两个棱镜时发生改变，以调整经渲染的聚焦图像在半透明反射镜上的投影的位置。此外，两个棱镜可以通过至少一个第二致动器来旋转、倾斜、横着和/或横向地移动等。
可选地，至少一个光学组合器包括至少一个第五致动器，该至少一个第五致动器用于移动至少一个第一光学元件，其中，显示装置的处理器被配置为控制至少一个第五致动器以调整经渲染的聚焦图像在至少一个第一光学元件上的投影的位置。在这种情况下，至少一个第五致动器用于移动至少一个第一光学元件，以便在即使凝视方向发生偏移时也能够将经渲染的聚焦图像投影在眼睛的中央凹上和中央凹的周围。可选地，显示装置的处理器被配置为通过生成致动信号(例如，诸如电流、液压之类)来控制至少一个第五致动器。
在示例中，至少一个第五致动器可以使至少一个第一光学元件移动得更靠近或远离至少一个聚焦图像渲染器。在另一示例中，至少一个第五致动器可以相对于至少一个聚焦图像渲染器横向移动至少一个第一光学元件。在又一个示例中，至少一个第五致动器可以倾斜和/或旋转至少一个第一光学元件。
聚焦镜头：
此外，可选地，显示装置包括：至少一个聚焦镜头，该聚焦镜头位于至少一个第一光学元件和至少一个聚焦图像渲染器之间的光路中；以及至少一个第六致动器，该至少一个第六致动器用于相对于至少一个聚焦图像渲染器来移动至少一个聚焦镜头。在这种情况下，显示装置的处理器被配置为控制至少一个第六致动器以调整经渲染的聚焦图像的投影的焦点。此外，可选地，至少一个聚焦镜头利用其特定属性以通过改变经渲染的聚焦图像的投影的光路来调整经渲染的聚焦图像的投影的焦点。有利地，经渲染的聚焦图像的投影的焦点可以调整为适应屈光度、像散校正等。可选地，显示装置的处理器被配置为通过生成致动信号(例如，诸如电流、液压之类)来控制至少一个第六致动器。
可选地，显示装置的处理器被配置为通过将控制信号施加到至少一个聚焦镜头来控制至少一个聚焦镜头的至少一个有效的光学特性。至少一个有效的光学特性的一些示例包括但不限于焦距和光功率。此外，控制信号可以是电信号、液压等。
可选地，至少一个聚焦镜头是液晶透镜(LC透镜)。可选地，至少一个聚焦镜头位于至少一个第一光学元件和至少一个背景图像渲染器之间的光路上。
可选地，至少一个背景图像渲染器和至少一个聚焦图像渲染器的物理尺寸(或大小)不限于上文所描述的显示装置的操作。可选地，物理上小尺寸的背景图像渲染器和聚焦图像渲染器可以与渲染背景图像和聚焦图像的投影的光路中的镜头(例如，诸如放大镜、准直透镜等)一起使用，以使得能够实现背景图像和聚焦图像的投影的期望尺寸、期望光路和/或期望光学深度。作为示例，透镜(例如，诸如凸透镜之类)可以位于至少一个聚焦图像渲染器和至少一个第一光学元件之间的经渲染的聚焦图像的投影的光路上。作为另一示例，准直透镜可以位于聚焦图像渲染器和至少一个第一光学元件之间的经渲染的聚焦图像的投影的光路上，以使得能够对经渲染的聚焦图像的投影进行准直。
本公开还涉及如上所述的方法。以上所公开的各种实施方案和变体进行必要的变更适用于该方法。
可选地，该方法还包括控制显示装置的至少一个第一可控镜头，以调整经渲染的背景图像的光学距离。该方法还可以包括控制显示装置的至少一个第二可控镜头，以调整经渲染的聚焦图像的光学距离。
可选地，在该方法中，显示装置还包括彼此临近设置的两个棱镜以及与两个棱镜相关联的至少一个致动器，其中，该方法还包括控制至少一个致动器以调节两个棱镜之间的距离，以在至少两个不同的光学距离之间进行切换。可选地，在该方法中，至少一个背景图像渲染器和/或至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个显示器来实现，该至少一个显示器至少包括第一像素组和第二像素组，其中，该方法还包括控制至少一个显示器，以经由第一像素组提供第一光学距离并且经由第二像素组提供第二光学距离，第一光学距离不同于第二光学距离。
此外，可选地，在该方法中，至少一个聚焦图像渲染器通过包括像素阵列的至少一个显示器来实现，该显示装置还包括位于至少一个显示器的像素阵列前面的至少一个微透镜阵列，其中，该方法还包括使用该至少一个微透镜阵列来通过以下方式放大由像素阵列的相应像素所渲染的聚焦图像的至少一个区域：为聚焦图像的至少一个区域提供所需的光学距离。
附图的具体实施方式
参照图1，示出了根据本公开的实施例的显示装置100的架构的框图。显示装置100包括：用于渲染背景图像的至少一个背景图像渲染器(被描绘为背景图像渲染器102)；用于渲染聚焦图像的至少一个聚焦图像渲染器(被描绘为聚焦图像渲染器104)；以及用于将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景的至少一个光学组合器(被描绘为光学组合器106)，其中，在视觉场景中提供至少两个不同的光学距离。
参照图2，示出了根据本公开的另一实施例的显示装置200的架构的框图。如图所示，显示装置200包括：用于渲染背景图像的至少一个背景图像渲染器(被描绘为背景图像渲染器202)；用于渲染聚焦图像的至少一个聚焦图像渲染器(被描绘为聚焦图像渲染器204)；至少一个光学组合器(被描绘为光学组合器206)；用于检测凝视方向的装置208以及处理器210。处理器210通信上耦接到至少一个光学组合器206和用于检测凝视方向的装置208。此外，如图所示，处理器210还耦接到至少一个背景图像渲染器202和至少一个聚焦图像渲染器204。
参照图3A和图3B，示出了根据本公开的实施例的显示装置关于用户的眼睛302的示例性操作。如图所示，眼睛302的凝视方向基本上朝向用户的前侧，例如直接在用户前方。此外，视线304表示眼睛302的凝视方向。
在图3A和图3B中，还示出了被描绘为聚焦显示器306的至少一个聚焦图像渲染器和被描绘为背景显示器308的至少一个背景图像渲染器。此外，显示装置示出为包括被描绘为光学组合器310的至少一个光学组合器。可选地，在这方面，至少一个光学组合器310包括至少一个第一光学元件310A和至少一个第三致动器310B。在操作中，至少一个背景图像渲染器308将背景图像投影到眼睛302上，同时至少一个聚焦图像渲染器306将聚焦图像投影到至少一个第一光学元件310A上。如图所示，至少一个光学组合器310被设置成使得背景图像的投影与聚焦图像的投影通过以下方式进行光学组合：使经渲染的聚焦图像的投影与背景图像的区域312的投影基本上重叠，该区域312基本上对应于输入图像的视觉精度区域。可选地，在将背景图像投影到眼睛302上的同时掩蔽区域312，以避免聚焦图像和背景图像的投影之间的失真。此外，至少一个第三致动器310B可操作以调整经渲染的聚焦图像在至少一个第一光学元件310A上的投影的位置。显示装置的处理器(未示出)被配置为控制至少一个第三致动器310B以相对于至少一个光学组合器310的至少一个第一光学元件310A移动至少一个聚焦图像渲染器306。
接下来，与图3A相比，图3B描绘了眼睛302的凝视方向的侧向偏移。如图所示，为了补偿凝视方向的偏移，至少一个聚焦图像渲染器306通过至少一个第三致动器310B相对于至少一个第一光学元件310A侧向移动，以继续将聚焦图像投影在眼睛302的中央凹上。因此，在至少一个背景图像渲染器308上可选地移动区域312，以适应凝视方向上的这种偏移。
参照图4，示出了根据本公开的实施例的经由显示装置渲染和投影的背景图像402和聚焦图像404的示例性表示。背景图像402由至少一个背景图像渲染器渲染，以及聚焦图像404由至少一个聚焦图像渲染器渲染。如图所示，与聚焦图像404的角尺寸相比，背景图像402的角尺寸(即，角宽度)更大。此外，聚焦图像404基本上对应于视觉精度区域406，显示装置的用户的凝视方向被聚焦在该视觉精度区域。
应当理解的，背景图像402和/或聚焦图像404不局限于矩形形状，背景图像和/或聚焦图像可以具有任何合适的形状，例如，基本上呈椭圆形、基本上呈圆形、圆角矩形等等。
现在参照图5A至图5K，示出了根据本公开的不同实施例的显示装置500的示例性实施方式。本领域技术人员可以理解的是，为了清楚起见，图5A至图5K仅包括用于实现显示装置500的实施方式的简化设置，这种简化设置不限制本文权利要求的范围。本领域技术人员将认识到本公开的实施例的许多变型、替代方案和修改。
参照图5A，示出了根据本公开的实施例的显示装置500的示例性实施方式。显示装置500被示出为包括：由背景显示器502实现的至少一个背景图像渲染器；由聚焦显示器504实现的至少一个聚焦图像渲染器；以及至少一个光学组合器506。在操作中，显示装置500的处理器(未示出)被配置为：(i)在至少一个背景图像渲染器502上渲染背景图像；以及(ii)在至少一个聚焦图像渲染器504上渲染聚焦图像。至少一个光学组合器506可操作为将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合，以创建视觉场景，如前所述。此外，镜头508位于背景图像和聚焦图像的投影的光路上。
参照图5A至图5K，至少一个光学组合器506可选地包括第一光学元件506A(被描绘为半透明反射镜)。
参照图5B，显示装置500包括至少一个第一可控镜头，该至少一个第一可控镜头被描绘为用于调整经渲染的背景图像的光学距离的第一可控镜头510。如图所示，至少一个第一可控镜头510位于经渲染的背景图像的投影的光路上。此外，显示装置500包括至少一个第二可控镜头，该至少一个第二可控镜头被描绘为用于调整经渲染的聚焦图像的光学距离的第二可控镜头512。如图所示，至少一个第二可控镜头512位于经渲染的聚焦图像的投影的光路上，例如，位于至少一个聚焦图像渲染器504和第一光学元件506A之间。
参照图5C，显示装置500可选地包括：至少一个聚焦镜头(被描绘为聚焦镜头514)，该至少一个聚焦镜头位于第一光学元件506A和至少一个聚焦图像渲染器504之间的光路上；以及至少一个第六致动器516，用于相对于至少一个聚焦图像渲染器504来移动聚焦镜头514。显示装置500的处理器被配置为控制至少一个第六致动器516以调整经渲染的聚焦图像的投影的焦距。
此外，可选地，至少一个第一可控镜头510位于至少一个背景图像渲染器502和第一光学元件506A之间的光路上。在这种实施方式中，由于可以使用由聚焦镜头514和至少一个第一可控镜头510形成的镜头子系统来调整经渲染的聚焦图像的投影和/或背景图像的投影的光路、光学距离和/或焦距，因此不需要移动至少一个聚焦图像渲染器504来调整经渲染的聚焦图像的投影。
参照图5D，显示装置500还包括彼此临近设置的两个棱镜518和520以及用于调整两个棱镜518和520之间的距离的致动器522。如图所示，两个棱镜518和520位于至少一个聚焦图像渲染器504和第一光学元件506A之间的光路上。至少一个致动器522相对于第一光学组合器106来移动两个棱镜518和520。
参照图5E，至少一个聚焦图像渲染器504通过至少一个显示器504A来实现，该至少一个显示器包括像素阵列(未示出)和位于至少一个显示器504A的像素阵列前面的至少一个微透镜阵列504B。
参照图5F，至少一个光学组合器506可选地包括至少一个第三致动器506B，该至少一个第三致动器用于相对于第一光学元件506A来移动至少一个聚焦图像渲染器504，以便调整经渲染的聚焦图像在第一光学元件506A上的投影的位置。
参照图5G，光学组合器506可选地包括至少一个第二光学元件(被描绘为第二光学元件506C)，其中，至少一个第四致动器(未示出)是可控制的，以相对于第一光学元件506A来移动至少一个第二光学元件506C。此外，至少一个第二光学元件506C通过反射镜524来实现。
参照图5H，至少一个第五致动器(未示出)是可控的，以移动第一光学元件506A。作为示例，至少一个第五致动器使第一光学元件506A绕至少一个轴旋转。
参照图5I和图5J，至少一个聚焦图像渲染器可选地通过至少一个投影仪(被描绘为投影仪526)和至少一个投影屏幕(被描绘为投影屏幕528)来实现。在图5I中，可选地，棱镜530位于至少一个投影仪526和至少一个投影屏幕528之间的光路中。在图5J中，可选地，可旋转反射镜532位于投影仪526和投影屏幕528之间的光路中。
应当理解的是，图5I的棱镜530和图5J的可旋转反射镜532分别使得能够调整聚焦图像在至少一个投影屏幕528上的投影的位置。
参照图5K，至少一个第一光学元件通过光波导506D来实现。此外，如图所示，光波导506D包括光学组件534，例如，微棱镜、反射镜、衍射光学器件等。
参照图6，示出了根据本公开的实施例的经由显示装置进行显示的方法600的步骤。在步骤602中，在至少一个背景图像渲染器处渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间。在步骤604中，在至少一个聚焦图像渲染器处渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间。在步骤606中，使用至少一个光学组合器将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影组合以创建视觉场景，其中，以在数据场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建视觉场景。
步骤602至606仅是说明性的，在不脱离本文权利要求的范围的情况下，还可以提供其他替代方案，在其他替代方案中，可以添加一个或多个步骤，移除一个或多个步骤，或者以不同顺序提供一个或多个步骤。
在不脱离由所附权利要求限定的本公开的范围的情况下，可以对前面描述的本公开的实施例进行修改。被用于描述和要求保护本公开的诸如“包括(including)”、“包括(comprising)”、“合并(incorporating)”、“具有(have)”、“为(is)”之类的表述旨在以非排他的方式解释，即，也允许存在未明确描述的项目、组件或元件。单数的引用也被理解为涉及多个。

Claims (15)

1.一种显示装置，包括：
-至少一个背景图像渲染器，所述至少一个背景图像渲染器用于渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
-至少一个聚焦图像渲染器，所述至少一个聚焦图像渲染器用于渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
-至少一个光学组合器，所述至少一个光学组合器用于将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景；
其中，以在所述视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建所述视觉场景。
2.根据权利要求1所述的显示装置，还包括至少一个第一可控镜头，所述至少一个第一可控镜头用于调整经渲染的背景图像的光学距离。
3.根据权利要求2所述的显示装置，其中，所述至少一个第一可控镜头的焦距以与所述至少一个背景图像渲染器的刷新率基本相似的速率被调整。
4.根据权利要求1、2或3所述的显示装置，还包括至少一个第二可控镜头，所述至少一个第二可控镜头用于调整经渲染的聚焦图像的光学距离。
5.根据权利要求4所述的显示装置，其中，所述至少一个第二可控镜头的焦距以与所述至少一个聚焦图像渲染器的刷新率基本相似的速率被调整。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的显示装置，还包括：彼此临近设置的两个棱镜以及用于调整所述两个棱镜之间的距离的至少一个致动器，其中，所述两个棱镜之间的距离被调整以在所述至少两个不同的光学距离之间切换。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的显示装置，其中，所述至少一个背景图像渲染器和/或所述至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个显示器来实现，所述至少一个显示器至少包括第一像素组和第二像素组，其中，由所述第一像素组提供的第一光学距离不同于由所述第二像素组提供的第二光学距离。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的显示装置，其中，所述至少一个聚焦图像渲染器通过包括像素阵列的至少一个显示器来实现，并且其中，所述显示装置还包括位于所述至少一个显示器的像素阵列前面的至少一个微透镜阵列，所述至少一个微透镜阵列被设置成通过以下方式来放大由所述像素阵列的相应像素所渲染的所述聚焦图像的至少一个区域：为所述聚焦图像的至少一个区域提供所需的光学距离。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的显示装置，还包括：
-用于检测凝视方向的装置；以及
-处理器，所述处理器与所述至少一个光学组合器和所述用于检测凝视方向的装置通信上耦接，其中，所述处理器被配置为：
(a)接收输入图像，并使用所检测的凝视方向来确定所述输入图像的视觉精度区域；
(b)处理所述输入图像以生成所述背景图像和所述聚焦图像，所述背景图像具有第一分辨率，所述聚焦图像具有第二分辨率，其中：
(i)所述聚焦图像基本上对应于所述输入图像的视觉精度区域；以及
(ii)所述第二分辨率高于所述第一分辨率；以及
(c)基本上同时在所述至少一个背景图像渲染器处渲染所述背景图像以及在所述至少一个聚焦图像渲染器处渲染所述聚焦图像，同时控制所述至少一个光学组合器以通过以下方式将所述经渲染的背景图像的投影与所述经渲染的聚焦图像的投影进行组合：所述经渲染的聚焦图像的投影与经渲染的背景图像的、对应于所述输入图像的视觉精度区域的区域的投影基本上重叠。
10.一种经由显示装置进行显示的方法，所述显示装置包括至少一个背景图像渲染器、至少一个聚焦图像渲染器和至少一个光学组合器，所述方法包括：
(i)在至少一个背景图像渲染器处渲染背景图像，其中，经渲染的背景图像的投影的角宽度的范围介于40度到220度之间；
(ii)在所述至少一个聚焦图像渲染器处渲染聚焦图像，其中，经渲染的聚焦图像的投影的角宽度的范围介于5度到60度之间；以及
(iii)使用至少一个光学组合器将经渲染的背景图像的投影与经渲染的聚焦图像的投影进行组合以创建视觉场景，
其中，以在所述视觉场景中提供至少两个不同的光学距离的方式创建所述视觉场景。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括控制所述显示装置的至少一个第一可控镜头，以调整经渲染的背景图像的光学距离。
12.根据权利要求10或11所述的方法，还包括控制所述显示装置的至少一个第二可控镜头，以调整经渲染的聚焦图像的光学距离。
13.根据权利要求10、11或12所述的方法，其中，所述显示装置还包括彼此临近设置的两个棱镜以及与所述两个棱镜相关联的至少一个致动器，其中，所述方法还包括控制所述至少一个致动器以调节所述两个棱镜之间的距离，以在所述至少两个不同的光学距离之间进行切换。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其中，所述至少一个背景图像渲染器和/或所述至少一个聚焦图像渲染器通过至少一个显示器来实现，所述至少一个显示器至少包括第一像素组和第二像素组，其中，所述方法还包括控制所述至少一个显示器，以经由所述第一像素组提供第一光学距离并且经由所述第二像素组提供第二光学距离，所述第一光学距离不同于所述第二光学距离。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法，其中，所述至少一个聚焦图像渲染器通过包括像素阵列的至少一个显示器来实现，所述显示装置还包括位于所述至少一个显示器的像素阵列前面的至少一个微透镜阵列，其中，所述方法还包括使用所述至少一个微透镜阵列以通过以下方式来放大由所述像素阵列的相应像素所渲染的所述聚焦图像的至少一个区域：为所述聚焦图像的至少一个区域提供所需的光学距离。
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